2305 巷掘进工作面顶板破碎区支护优化

白 强

（大同煤矿集团雁崖煤业公司，山西 大同 037003）

1 概况

大同煤矿集团雁崖煤业公司2305 巷位于三盘区4#煤层北部，巷道东西走向布置，巷道东部为掘进区域，南部为5304 巷，西部为盘区大巷，北部为5305 巷。2305 巷设计掘进长度1500 m，断面为宽×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘进煤层为山西组4#煤层，煤层平均厚度为3.5 m。煤层直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为2.5 m，基本顶主要以细砂岩为主，平均厚度为8.9 m。

2305 巷顶板及两帮采用锚杆、锚索、金属网联合支护。顶板锚杆长2.5 m，直径为22 mm，每排布置5 根，锚杆间排距为1.0 m；顶板锚索长5.3 m，直径为17.8 mm，每排布置3 根，锚索间距为1.8 m，排距为3.0 m；巷帮锚杆长度为2.0 m，直径为20 mm，锚杆每排3 根，间排距为1.0 m。巷道掘进至657 m 处揭露第一条断层F1，断层落差为1.1 m，平均倾角为54°；巷道掘进至669 m 处揭露第二条断层F2，断层落差为0.9 m，平均倾角为47°；在670～740 m 段还存在7 条断层，全部为正断层，断层平均落差为1.3 m，平均倾角为50°。

2 巷道掘进支护现状及问题分析

2.1 巷道掘进支护现状

（1）2305 巷在过F1 断层时，顶板相对破碎，局部区域出现冒漏现象，冒漏高度0.5 m，巷道顶板与巷帮之间的肩角煤柱局部垮落，巷帮网出现“网兜”现象。

（2）当巷道过F2 断层时，受构造应力影响，原顶板支护不能满足围岩控制需求，顶板出现大面积破碎现象。顶板锚杆锚固后由于顶板破碎冒落，导致锚杆外露长度达0.2 m，锚杆支护作用降低。同时，肩角煤柱大面积垮落，两帮片帮严重，巷道成“尖锥形”，两帮收缩严重，收缩量达0.62 m，顶板往上2.0～3.5 m 范围内出现两段离层现象，最大离层量达0.32 m。

2.2 原因分析

（1）应力破坏作用。2305 巷在657～740 m 段共计揭露9 条断层，在此区域内产生断层群应力叠加现象，巷道掘进期间会受到多次应力波动影响，在应力作用下破坏了原巷道顶板承载结构，顶板承载梁断裂且次生裂隙发育，降低了顶板原生稳定性，从而导致顶板破碎现象。

（2）围岩稳定性差。2305 巷直接顶主要以炭质泥岩为主，其中中部夹杂两层混合岩层，第一层位于顶板往上1.2 m 处，厚度为0.4 m，主要以细砂岩与泥岩混合为主；第二层位于顶板往上1.9 m 处，为4#煤层，厚度为0.3 m。直接顶整体成层状结构，岩体岩石普氏系数f=2.5，抗压强度相对较低，在采动、构造应力等作用下易产生裂隙带，稳定性差。

（3）支护强度低。原顶板支护设计中护顶采用10#铅丝编制的菱形金属网，金属网承载强度不足120 MPa，当顶板出现下沉、冒落时金属网承载能力低，出现断裂现象。同时，顶板采用长2.5 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆锚固段位于直接顶与基本顶之间，在应力作用下，当直接顶出现破碎、离层时锚杆锚固效果差，无法起到加固梁作用。

3 顶板联合支护技术

为了保证2305 巷后期过断层群应力区施工安全，决定对原顶板支护设计进行优化，将原顶板金属网更换为钢筋网，原顶板锚杆支护设计不变，将顶板原单锚索更换为联锁锚索梁棚，并在应力区架设液压伸缩钢棚。2305 巷破碎顶板联合支护示意图如图1。

3.1 铺设钢筋网

（1）2305 巷断层群应力区围岩采用的钢筋网由直径为6 mm 钢筋编制，钢筋网网格为50 mm×50 mm，钢筋网规格为长×宽=2.4 m×1.2 m。

（2）巷道顶板每排铺设两片钢筋网，同一排两片钢筋网搭接宽度为0.3 m，并网搭接中部施工一根锚杆，网与网之间采用14#铅丝环环连接。

3.2 施工联锁锚索梁棚

（1）顶板锚杆支护施工完后，在相邻两排锚杆之间施工一排锚索梁棚，梁棚施工排距为2.0 m。锚索梁棚主要由三根长度为7.0 m、直径为21.8 mm恒阻锚索、一根横梁及三根联锁拉杆组成。

（2）横梁长度为4.2 m，宽度为0.5 m，每根横梁由5 根圆钢焊接而成，圆钢直径为20 mm，在横梁两端以及中部各焊制一个长度及宽度为0.3 m钢板，钢板中部焊制一个直径为30 mm 圆孔。联锁拉杆主要为一根长度为2.0 m、宽度为0.2 m、厚度为0.02 m 方钢。

（3）首先在巷道中部施工一排恒阻锚索，锚索间距为1.8 m，中部锚索垂直顶板布置，两侧锚索与巷帮夹角为60°，锚索外露长度为0.3 m，锚索施工后在其下方依次安装横梁、拉杆并采用锁具固定。相邻两架锚索棚采用三根栏杆联锁固定。

3.3 架设液压伸缩钢棚

为了解决传统钢棚支护后对顶板产生切顶破坏及易变形等问题，决定在2305 巷断层群应力区架设液压伸缩梁棚。

（1）液压伸缩钢棚主要由液压伸缩腿、双顶梁、抱箍、液压泵站、压力监测报警器等部分组成。液压伸缩腿张紧行程为1.5～4.0 m，液压泵站功率为10 kW，双顶梁主要由两根长度为4.2 m 的11#工字钢梁以及一块钢板焊制而成，顶梁宽度为0.3 m。

（2）压力监测报警器安装在液压伸缩腿上，该装置主要由报警器、显示器、信号线、压力弹簧、接收器等部分组成。压力弹簧安装在伸缩腿内部，通过伸缩腿下降后压缩弹簧从而监测顶板下沉量，并实时报警。

（3）在安装液压伸缩棚时，保证同一架钢棚两根棚腿在同一水平线上，棚腿与顶梁之间采用卡缆进行固定。钢棚架设完成后通过控制液压泵站操作阀使棚腿升起，当钢棚顶梁与顶板接触严实并确保支撑力达15 MPa 时停止加压。

（4）液压伸缩棚安装间距为2.0 m，伸缩棚安装后每班安排专人观察顶板离层情况以及钢棚变形情况，发现钢棚卸压、报警时必须及时补液。

图1 2305 巷破碎顶板联合支护示意图

4 应用效果

2305 巷掘进到位后，通过3 个月实际应用效果观察，发现：

（1）巷道支护优化后，顶板采用的钢筋网支护强度是普通金属网的1.5 倍，巷道在后期过断层群期间顶板未出现“网兜”、断网等现象。

（2）通过对顶板施工联锁锚索梁棚代替传统的单锚索支护，解决了传统单锚索点性支护面积小、支护联锁性能差等技术难题，采用联锁锚索梁棚有效提高了直接顶稳定性，保证了锚杆支护效果，防止了顶板断裂、破碎现象，顶板肩角煤柱垮落现象得到有效控制。

（3）通过对巷道应力区架设液压伸缩钢棚，不仅实现了巷道顶板下沉、离层实时监测，提高了钢棚对巷道支护断面积及支护强度，而且解决了传统矩形钢棚支护强度低、易变形、钢棚回收利用率低等技术难题。通过现场观察发现，架设液压伸缩钢棚后顶板离层、下沉量降至0.12 m 以下，避免了顶板垂直应力向两帮煤柱传递作用，两帮移进量减小为0.17 m 以下。